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《江苏大学》 2016年
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超低比转速自平衡多级离心泵水力优化与结构分析

何勇冠  
【摘要】:超低比转数(比转速ns≤30)自平衡多级离心泵广泛应用于石油、化工、农业、矿业、电力等重要领域。但这类泵水力部件相对狭长的特点决定了其效率相对较低,耗能巨大,因此优化设计节能高效的超低比转速多级离心泵水力部件很有必要。由于采用转子对称布置结构,级数多、跨距大,在运行过程中,容易引发转子结构发生变形破坏,特别当转速与转子临界转速相近或相同时将会发生共振,严重影响泵的安全可靠运行。因此,对超低比转数自平衡多级离心泵进行静力学和动力学分析具有重要的工程实用价值。本文主要研究内容和成果如下:(1)泵水力优化。建立超低比转速自平衡多级离心泵两级的三维全流场水体模型。通过定义叶轮、泵腔、导叶扬程及效率的概念和公式,分别分析叶轮、泵腔、导叶内能量转换与流动损失情况,得出影响原模型性能的主要因素为叶轮与导叶的匹配,次要因素为叶轮内的流动损失。提出取导叶喉部进口绝对速度为叶轮出口绝对速度的一半来计算导叶喉部面积,并逐步优化设计出一流道式导叶,通过调整叶片型线优化流道过流面积消除叶轮流道内漩涡。优化后的叶轮与导叶各处速度变化均匀缓慢,大大降低了流动损失。将性能较优的模型进行制造和测试,测试结果表明,优化后方案的额定工况下平均单级扬程提高了8.1m,效率提高3.2%,达到了清水多级离心泵的国家标准,取得了较好的优化效果。并将数值模拟结果与试验结果进行了对比,分析了两者的差异,为进一步优化改进超低比转速自平衡多级离心泵的水力设计方法提供了设计思路与参考。(2)泵转子静力学分析。对泵轴进行了扭转强度和疲劳强度的校核,分析结果显示,泵轴最大剪应力和最大等效应力均小于相应的许用剪应力和屈服极限,满足了扭转强度和疲劳强度要求。分析了泵转子变形,得出最大变形发生在第四级叶轮的下方外径边缘处,且变形量小于叶轮和导叶之间间隙,得出叶轮口环处变形量小于叶轮与口环间隙。即叶轮与导叶、叶轮与口环均不会在转子运行过程中发生干涉碰撞。但节流轴套处的变形量略微超过了节流轴套和节流套之间的间隙,与泵实际运行后拆开检示所发现节流套有磨损的情况一致,故建议节流套采用耐磨材料和公差配合以保证控制高压水的泄漏量和泵转子的运行可靠性。(3)泵转子动力学分析。分别计算了泵转子在干态无流场预应力、干态有流场预应力和湿态三种情况下的前八阶正反进动固有频率,分析了发生各阶振动时泵转子可能的振动形式和三种情况下相同阶次正反进动固有频率的差异。对比三种情况下各个阶次固有频率变化率,得出流场预应力能略微提高泵转子各个阶次的固有频率,而湿态则会显著降低泵转子各个阶次的固有频率。对比三种情况下不同阶次对应的振型图,得出流场预应力不改变各阶正反进动的振动形式和振动方向,但影响某些阶次下最大振幅出现的位置。与干态相比,湿态下水的附加质量、粘性和阻尼等不改变各阶正反进动的振动形式和最大振幅出现的位置,但会对振动方向产生影响。对比分析三种情况下各个阶次对应的最大振幅,得出流场预应力不影响各阶反进动的最大振幅,但会显著抑制各阶正进动最大振幅,而湿态下水的附加质量、粘性和阻尼同时抑制了各阶正反进动最大振幅。流场预应力和湿态下水的附加质量、粘性和阻尼对不同阶次转子发生相同弯曲振动的最大振幅没有影响。无论干态还是湿态发生扭转振动的最大振幅数值是各阶中最高的。泵转子在额定转速运行时,最接近真实请况的湿态下一阶正进动弯曲振动临界转速和一阶扭转振动临界转速均处于发生共振的危险范围之外,表明超低比转速自平衡多级离心泵转子的结构设计合理安全可靠,运行过程中不存在发生共振的可能。在干态有流场预应力模态分析的基础上对转子进行不平衡激励力的谐响应计算和分析。对不同叶轮相同位置分别加载相同大小和方向的不平衡激励力后,泵转子对第四级和第八级叶轮存在的不平衡量最为敏感,且转子节流轴套的响应幅值最大,最大幅值出现在一阶正进动弯曲振动临界转速处,说明转子不同位置施加不平衡激励力时,不会改变临界转速的大小,但会造成转子响应最大幅值发生变化。对同一叶轮加载不同大小不平衡激励力,节流轴套处的最大幅值随着不平衡激励力的增加而显著增大,且都是在一阶正进动弯曲临界转速处达到峰值,说明同一位置施加不同大小的不平衡激励力不影响临界转速的大小。同时存在两个同向不平衡激励力下的节流轴套响应幅值明显大幅增加,同时存在两个反向不平衡激励力下的节流轴套响应幅值则低于只存在单个不平衡激励力情况,三种情况下的响应最大幅值都发生在一阶正进动弯曲临界转速处,说明同时存在两个相位相同或相反的不平衡激励力不影响临界转速的大小。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH311

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